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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA LEONARDO GRANDINI DA SILVEIRA ADAMI ANÁLISE DE AMORTECEDORES COMERCIAIS PARA O VEÍCULO BAJA UCS CAXIAS DO SUL 2015 LEONARDO GRANDINI DA SILVEIRA ADAMI ANÁLISE DE AMORTECEDORES COMERCIAIS PARA O VEÍCULO BAJA UCS Trabalho de conclusão da disciplina de Estágio 2 (MEC0258D) apresentado à Universidade de Caxias do Sul como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Área de concentração: Vibrações Mecânicas. Supervisor: Prof. M.Eng. Deives Roberto Baretta CAXIAS DO SUL 2015 3 4 RESUMO O presente estudo foca nos amortecedores telescópicos monotubulares, que são de fácil fabricação com um índice de desempenho e nível de customização muito bons, o que atende as expectativas da equipe BAJA UCS. Com desenvolvimento analítico e computacional, o amortecedor proposto foi utilizado como base para monitoramento dos modelos de amortecedores que a equipe BAJA UCS possui. Assim, foram testados no veículo sem a massa do piloto usando sensores conectados via wireless ao computador receptor para retirar informações sobre a aceleração do veículo em uma queda livre de 100mm de cada quarto do carro. Utilizando como variáveis as pressões dos pneus, elas foram alteradas para analisar a melhor configuração a fim de tornar o carro com maior dirigibilidade e, consecutivamente, mais competitivo. Com os dados capturados foi possível extrair os coeficientes de amortecimento por meio de manipulação matemática (decremento logaritmo), deste modo conseguiu-se tirar conclusões sobre os amortecedores devem ser utilizados. No caso, os amortecedores novos da marca RFY ficaram mais adequados ao uso no eixo traseiro do veículo, já na parte frontal do carro os amortecedores antigos, de moto Honda XL, ainda desempenharam melhores resultados, porém mostraram que não estão em condições ideais para uso devido ao desgaste. Os amortecedores novos poderão ser utilizados no eixo frontal desde que modificações e testes sejam feitos. Já as pressões dos pneus não foi possível ter uma conclusão, mas a tendência do teste mostra que pressões entre 55,16 e 82,74 kPa são as mais adequadas. Contudo é possível dizer que o presente trabalho atingiu seus objetivos auxiliando a equipe BAJA UCS a chegar a resultados próximos ao desejado e mostrando aos demais membros da equipe o que é necessário rever no projeto para que se torne competitivo. Palavras-chave: Amortecedor Telescópico Monotubular. Baja. Vibrações. Sensor Wireless. Desempenho. 5 ABSTRACT The present study focus on monotubular shock absorbers, which are the easiest model to manufacturing with a very good performance and customization level, that attend the expectation of BAJA UCS team. With analytical and computational development, the shock absorber suggested was used as pattern to monitoring the models of shock absorbers that BAJA UCS team has. Thus they were tested on the vehicle without driver mass. Using wireless sensors conected with one computer used as receptor to capture the information about vehicle acceleration during the free fall of 100mm of each quarter of the car. Taking the tire pressure as variables, each test has this variable modified to analyse the best configuration for handling and, consecutively, more competitive. After the tests were runned and with the datas was possible to extract the damping coefficient using mathematical manipulation (log decremet). In this way, was possible to get some conclusions about which dampers must be used. In this case of study, the new shock absorber from the brand RFY was suitable to be used in the rear axle of the car, but in the front axle the old shock absorbers, from Honda XL motorcycle, has best result. However they don’t have the condition to work in competition again, due the wear of this old part. The new shock absorber is suitable to be assembly in the front axle since some modifications and tests must be done. Looking the tire pressure wasn’t possible to toke a conclusion, but test tendancy show the suitable tire pressure is between 55.16 and 82.74 kPa. Nevertheless it’s possible to say the present study got the goal, assisting BAJA UCS team to reach the results closed as wished. Showing to team members, which is necessary to reconsider in the car project to become more competitive. Key words: Monotubular shock absorbers. Baja. Vibration. Wireless Sensor. Performance. LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Sensibilidade do corpo a vibrações ......................................................................... 28 Tabela 2 – Classificação dos tipos de amortecimento. ............................................................. 33 Tabela 3 – Dados do veículo analisado. ................................................................................... 44 Tabela 4– Pressões dos pneus para teste. ................................................................................. 49 Tabela 5 – Tabela de rigidez dos pneus com pressões variadas. ............................................. 52 Tabela 6 – Tabela de rigidez das molas dos amortecedores. .................................................... 52 Tabela 7 – Tabelas variáveis utilizada para teste do programa Anexo I. ................................. 53 Tabela 8 – Resultados do Quarto Traseiro Esquerdo ............................................................... 56 Tabela 9 – Resumo do resultados relevantes obtidos ............................................................... 57 LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Primeiro sistema de amortecimento inventado por Truffault. ................................ 14 Figura 2 – Amortecedor de simples ação chamado de Houdaille Vane. .................................. 15 Figura 3 – Amortecedor Snubber, inventado por Claud Foster. ............................................... 15 Figura 4 – Sistema que a fábrica Monroe importou do trem de pouso de um avião. .............. 16 Figura 5 – Sistema Hydrolastic, desenvolvido por Moulton, e Sistema Hydrogas. ................. 17 Figura 6 – Amortecedor telescópico bitubular. ........................................................................ 18 Figura 7 – Amortecedor telescópico monotubular ................................................................... 19 Figura 8 – Amortecedor monotubular com pistão flutuante .................................................... 20 Figura 9 – Esquema da suspensão duplo A em 1/4 de carro. ................................................... 24 Figura 10 – Tipos de montagem de uma suspensão multi-link. ............................................... 24 Figura 11 – Eixos de um carro normalizado pela norma SAE J607. ....................................... 30 Figura 12 –Modelo de 1/4 de carro. ......................................................................................... 30 Figura 13 – Modelos de Suspensão e pontos para calcular o Motion Ratio. ............................ 33 Figura 14 – Gráficos de diferentes coeficientes de amortecimento. ......................................... 34 Figura 15 – Distribuição das forças sob a massa suspensa....................................................... 38 Figura 16 – Distribuição das forças sob a massa não suspensa. ............................................... 39 Figura 17 – Medição da massado veículo com balanças em cada roda. ................................. 40 Figura 18 – Centro de oscilação do carro em torno do Centro de Gravidade (CG). ................ 41 Figura 19 – Medição das principais partes da massa não suspensa.......................................... 42 Figura 20 – Teste de caracterização das molas. ........................................................................ 42 Figura 21 – Teste de caracterização dos pneus. ........................................................................ 43 Figura 22 – Configuração do sinal de entrada do programa no SIMULINK. .......................... 47 Figura 23 – Carro com o dispositivo de teste na roda direita. .................................................. 48 Figura 24 – Tela de configuração para retirar os ruídos brancos dos dados coletados. ........... 48 Figura 25 – Exemplo de oscilação da massa suspensa de um veículo. .................................... 49 Figura 26 – Novo amortecedor da marca RFY......................................................................... 51 Figura 27 – Gráfico de aceleração da massa suspensa frontal. ................................................ 53 Figura 28 – Gráfico de aceleração da massa suspensa traseira. ............................................... 54 Figura 29 – Gráfico de aceleração do chassi traseiro esquerdo, amortecedor antigo. .............. 55 Figura 30 – Gráfico de aceleração do chassi traseiro esquerdo, amortecedor novo. ................ 56 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS C, c Valor do amortecimento Ccrít. Amortecimento crítico CG Centro de gravidade Fc Força do amortecedor FD Massa da roda frontal direita FE Massa da roda frontal esquerda Fk Força de elasticidade da mola Fkp Força de elasticidade do pneu Front Frontal Fron Frontal g Valor da gravidade k Valor equivalente aos coeficientes da mola e de rigidez do pneu Ks Coeficiente mola do sistema de suspensão Kp Coeficiente de rigidez do pneu Kw Spring Effect Wheel Rate M Valor da massa suspensa m Valor da massa não suspensa MEF Massa do carro suportada pelo eixo frontal MET Massa do carro suportada pelo eixo traseiro MR Motion Ratio mt Valor da massa total do sistema RR Ride Rate SAE Sociedade dos Engenheiros Automotivos t Tempo TE Massa da roda traseira esquerda TD Massa da roda traseira direita Tras Traseiro u Distância entre B e C UCS Universidade de Caxias do Sul v Distância entre A e B z Deslocamento ẋ Velocidade 9 ẍ Aceleração xM Deslocamento da massa suspensa xm Deslocamento da massa não suspensa xsolo Posicionamento do solo ωn Frequência natural não amortecida ωr Frequência efetiva do perfil da estrada ωD Frequência natural amortecida ζ Coeficiente de amortecimento Փ Fase SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 11 1.1 – JUSTIFICATIVA DO TRABALHO .............................................................................. 12 1.2 – OBJETIVOS .................................................................................................................... 13 1.2.1 Objetivo geral ................................................................................................................. 13 1.2.2 Objetivos específicos ...................................................................................................... 13 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 14 2.1 – BREVE HISTÓRIA DO AMORTECEDOR .................................................................. 14 2.2 – TIPOS DE AMORTECEDORES .................................................................................... 17 2.2.1 Amortecedores telescópicos bitubulares ...................................................................... 18 2.2.2 Amortecedores telescópicos monotubulares ............................................................... 19 2.2.3 Amortecedores telescópicos monotubulares com pistão flutuante............................ 19 2.3 – SUSPENSÃO E OS MODELOS DE APLICAÇÃO ...................................................... 20 2.3.1 Tipos de suspensão ........................................................................................................ 21 2.4 TIPOS DE SUSPENSÃO UTILIZADA NO PROJETO ................................................... 23 2.4.1 Suspensão duplo “A” (Double Wishbone) ................................................................... 23 2.4.2 Suspensão multi-link ..................................................................................................... 23 2.5 AMORTECEDOR E SEUS COMPONENTES ................................................................. 24 2.5.1 Corpo................................. ............................................................................................. 24 2.5.2 Pistão.................................... ........................................................................................... 25 2.5.3 Haste.............................................. ................................................................................. 25 2.5.4 Pistão flutuante .............................................................................................................. 25 2.5.5 Válvulas.................................................................. ........................................................ 26 2.6 DINÂMICA VEICULAR .................................................................................................. 26 2.6.1 Conforto (Ride) versus dirigibilidade (Handling) ...................................................... 27 2.6.1.1 Conforto................. ....................................................................................................... 27 2.6.1.2 Dirigibilidade ................................................................................................................ 28 2.6.2 Definições básicas para modelo dinâmico ................................................................... 28 2.6.2.1 Massa total do veículo .................................................................................................. 28 2.6.2.2 Graus de liberdade do veículo ...................................................................................... 29 2.6.2.3 Modelo de um quarto de carro ...................................................................................... 30 2.6.2.4 Equivalência das molas ................................................................................................ 31 2.6.2.5 Associação de molas ..................................................................................................... 31 2.6.2.6 Frequência natural não amortecida ............................................................................... 32 2.6.2.7 Coeficiente de amortecimento ...................................................................................... 32 2.6.3 Modelo dinâmico ........................................................................................................... 35 2.7 DINÂMICA DO AMORTECEDOR ................................................................................. 36 3 DESENVOLVIMENTO PRÁTICO ................................................................................. 38 11 3.1 – EQUAÇÕES EM UM QUARTO (1/4) DE CARRO ...................................................... 38 3.2 – MASSA DO CARRO E SEUS COMPONENTES ......................................................... 39 3.3 – CARACTERIZAÇÃO DAS MOLAS............................................................................. 41 3.4 – CARACTERIZAÇÃO DOS PNEUS .............................................................................. 42 3.5 DETERMINAÇÃO DA FORÇA DO AMORTECEDOR ................................................. 43 3.6 – IMPLEMENTAÇÃO DO MODELO EM AMBIENTE DE SIMULAÇÃO .................. 46 3.7 – VERIFICAÇÃO EM TESTES REAIS ........................................................................... 47 3.7.1 Testes reais e suas variáveis .......................................................................................... 49 3.8 – ANÁLISE DOS DADOS OBTIDOS .............................................................................. 50 3.9 – PARÂMETROS AVALIADOS ...................................................................................... 51 4 COLETA DE RESULTADOS ........................................................................................... 52 4.1 – RESULTADOS DA RIGIDEZ DAS MOLAS E DOS PNEUS ..................................... 52 4.2 – TESTE VIRTUAL DOS QUARTOS DO VEÍCULO .................................................... 53 4.3 – TESTE REAL DO VEÍCULO ........................................................................................ 54 5 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO DOS RESULTADOS .................................................... 58 5.1 – TRABALHOS FUTUROS .............................................................................................. 59 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 60 ANEXO I.................................................................................................................................62 ANEXO II................................................................................................................................63 ANEXO III...............................................................................................................................64 ANEXO IV...............................................................................................................................65 ANEXO V................................................................................................................................66 ANEXO VI...............................................................................................................................67 ANEXO VII.............................................................................................................................68 11 1 INTRODUÇÃO Uma das máquinas mais fascinantes do mundo pode ser considerada um veículo motorizado sobre rodas, o carro, o qual atrai fãs por todos os continentes do planeta. Porém nem todos aficcionados sabem que essa é uma máquina complexa que contempla muitos sistemas, desde o sistema de tração ao chassi, da transmissão a roda. Neste ponto pode-se parar um momento para focar em um sistema complexo, que está ligado diretamente ao rodar do carro, ao conforto de seus passageiros e a performance final do veículo, este sistema é da suspensão. Este que irá transmitir a sensação do bom proveito em andar em um carro. O sistema de suspensão é composto por três itens principais, que são eles: os braços de suspensão, as molas (ou feixes de molas) e o absorvedor de impactos, mais conhecido como amortecedor. Os braços da suspensão fazem o ligação entre as rodas e o chassis, ou seja, fazem a sustentação do carro. Já as molas trabalham para sustentar o veículo a determinada distância em relação ao solo e promovem o deslizamento vertical das rodas, quando transpõe obstáculos como buracos e elevações da pista. Quanto aos amortecedores, eles auxiliam a mola e, consecutivamente, o conjunto chassis a permanecer em seu ponto de equilíbrio, pois quando há uma agitação da mola, por causa de imperfeições do solo, ela tende a oscilar em uma frequência livre, ou seja, oscilar em torno do seu ponto de equilíbrio, o que causa desconforto aos passageiros e a perda de controle do veículo. Por esse motivos que os amortecedores entram em cena. Eles tem a função de dissipar energia vertical advinda das molas, do chassis ou das rodas para que voltem ao ponto neutro o mais rápido possível. Como John C. Dixon escreveu em um dos seus livros, com a aglomeração das massas e molas, o carro constitui um sistema de vibração que precisa de amortecedores para aperfeiçoar o controle do carro, impedindo respostas além do previsto e minimizando a influência de algumas ressonâncias indesejáveis. Assim, o amortecedor se torna um objeto de estudos de suma importância para tornar um veículo com bom equilíbrio e manobrabilidade. Os pneus também são itens importantes no desenvolvimento do sistema de suspensão, pois em um sistema dinâmico vibracional eles desempenham a função de uma mola para fins de cálculo. O presente trabalho se detem exclusivamente ao amortecedor do sistema de suspensão. Este que vem sendo estudado ao longo do século, passando desde o seu desenvolvimento com sistema de fricção composto por discos de bronzes e couro embebedados em óleo até os atuais sistemas hidráulicos. A evolução foi muito grande a medida que os veículos foram passando a tomar mais importância em nossas vidas cotidianas e tendo diferentes aplicações. Hoje, contando onde um amortecedor automotivo é utilizado 12 seria necessário despender horas somente nisso, mas os presentes em nosso dia-a-dia são: os carros de passeio, caminhões, veículos fora de estrada (off-road) e veículos de competição. Neste ponto analisa-se cada veículo por sua demanda, ou seja, opera em condições específicas e únicas para tal aplicação. Como exemplo, um carro de passeio, que precisa transmitir conforto ao seus passageiros. Um veículo de competição, que não precisa de muito conforto, porém necessita de performance, seja na aderência das rodas a pista e alta potência em seu motor a ser transmitida aos pneus. Um veículo fora de estrada necessita transpor obstáculo não comuns a estradas de asfalto devido ao terreno onde transita ser irregular. Assim, nota-se que cada aplicação está em diferentes estágios de desenvolvimento tecnológico e todos necessitam de diferentes parâmetros para construção de seus amortecedores. Por isso é apresentado a seguir uma aplicação específica de um conjunto de amortecedores de uma determinada classe de carros que seria um misto de carro de competição com carro off-road, que são denominados BAJA. Assim, o desenvolvimento do sistema de amortecimento que será proposto nesse trabalho irá integrar o desenvolvimento do carro de competição off-road da equipe BAJA UCS, e que atenda as normas da competição BAJA SAE Brasil. A seguir, acompanhar-se-á o desenvolvimento de um amortecedor hidráulico telescópico para trabalhar em terrenos acidentados e seus componentes específicos desde a etapa de pesquisa teórica até os testes finais em um veículo real da equipe. 1.1 – JUSTIFICATIVA DO TRABALHO O carro da equipe BAJA UCS vem sendo desenvolvido ao longo dos anos por diversos estudantes que fizeram parte da equipe. Assim todos contribuíram para que o desenvolvimento dos componentes dos veículos atingisse o maior grau de desempenho durante as competições. Porém a inviabilidade financeira fazia com que certos componentes utilizados fossem iguais aos comerciais, deixando o desempenho de lado e buscando o objetivo financeiro. Dentre esses componentes o amortecedor é um exemplo, que no último desenvolvimento do carro utilizou-se de amortecedores comerciais de uma motocicleta nacional, a Honda XT. Com estes amortecedores conseguia-se suprir a necessidade de serviço deste componente, mas nãodeixava o veículo com boa estabilidade para transpor os obstáculo e nem para fazer as curvas do circuito de testes com performance igual ao desejado. No geral, a amortecedor era “mole”, ou seja, não conseguia realizar as transferências de pesos necessitadas pelo veículo de modo adequado, deixando o piloto muito desgastado ao final da corrida por ter que “brigar” com o carro para deixá-lo em sua trajetória adequada. 13 Por isso, este trabalho vem de encontro aos objetivos da equipe BAJA UCS, que está em fase de completo desenvolvimento de seu novo protótipo. Como a equipe deseja tornar o seu carro competitivo, todos os componentes devem ser dimensionados corretamente para que se obtenha bons resultados com a performance do carro. Assim, será realizado um trabalho de pesquisa e desenvolvimento de um conjunto de amortecedores para o protótipo BAJA UCS. Analisando desde a dinâmica veicular até as vibrações existentes neste modelo de carro para que cada parte do amortecedor atenda as necessidades de esforços que serão submetidos, bem como em sua fase de construção não exceda valores pré determinados pela equipe e que possa ser substituído facilmente. Contudo, este trabalho terá o intuito de auxiliar a inovação do veículo BAJA UCS para que resulte em conforto, performance e no prazer em dirigir este novo carro nas competições BAJA SAE BRASIL. 1.2 – OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo geral O objetivo geral do trabalho é monitoramento de amortecedores existentes na equipe BAJA UCS em seu carro off-road do tipo baja, que serão utilizados no modelo 2016/2017, a fim de analisar os seus desempenhos, assim auxiliar a equipe a ver onde deve ocorrer a melhora ou modificação da configuração do veículo. 1.2.2 Objetivos específicos Para atender o objetivo geral, serão estipulados alguns objetivos específicos os quais serão tratados com maior detalhe neste trabalho, que são eles: a) Estudar os amortecedores para veículos de competição off-road; b) Analisar as necessidades da equipe BAJA UCS quanto a calibração de um amortecedor comercial para este tipo de competição; c) Criar um modelo computacional para validação no projeto; d) Testar os mesmos em ambiente laboratorial e em terrenos condizentes onde o veículo será posto a prova. 14 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 – BREVE HISTÓRIA DO AMORTECEDOR Os veículos desde seus princípios trafegaram por vielas, terrenos irregulares até que fosse possível utilizar rodovias pavimentadas. No entanto, ao longo destes períodos um componente, em especial, nos meios de transporte fora essencial para que os passageiros tivessem o prazer em se deslocar com os mesmos e que as estruturas físicas dos veículos perdurassem por mais tempo, este é o amortecedor. Ao primeiro olhar para este componente, nunca se imagina que exista em sua história mais de 100 anos de desenvolvimento. O amortecedor nem sempre foi este objeto cilíndrico, composto de câmaras de vaso pressão onde estão dispostas as válvulas e o pistão imersos em óleo como hoje se tem nos carros convencionais. Tudo começou antes de 1900 quando Truffault inventou o primeiro sistema de amortecimento de fricção a seco, que possuía um formato de tesoura, Figura 1, onde era composto de duas hastes fixadas a um mesmo eixo. Entre as hastes, no eixo central, eram postos alternadamente discos de bronze e couro embebido em óleo tendo sua rigidez controlada pelo aperto do parafuso existente no eixo. Assim, a história do amortecedor teve seu início (DIXON, 2007). Figura 1 – Primeiro sistema de amortecimento inventado por Truffault. Fonte: DIXON (2007). Após alguns anos, mais precisamente entre 1900 e 1903, Truffault desenvolveu esta aplicação para carro, a fim de que tivesse uma produção em escala. Isto começou na empresa do senhor E. V. Hartford, nos Estados Unidos, em 1904. Como Truffault era uma pessoa visionária logo percebeu o potencial comercial do seu invento, assim neste mesmo ano ele licenciou alguns fabricantes na Europa para produção do sistema, incluindo as montadoras 15 francesas Mors e Peugeot. Até que em 1906, este mesmo sistema foi utilizado em âmbito de competição no Grande Prêmio Renault. Em 1909 ocorreu a primeira invenção de um sistema hidráulico para amortecimento dos impactos das rodovias, através do Houdaille Vane, Figura 2, de simples ação. Este obteve certo sucesso nos carros, porém não sobrepunham os sistemas de fricção a disco. Figura 2 – Amortecedor de simples ação chamado de Houdaille Vane. Fonte: DIXON (2007). Outro ano marcante no processo de desenvolvimento de amortecedores ocorreu em 1915, onde Claud Floster propôs o sistema de fricção por meio de cintos e blocos de metal, Figura 3. Ideia muito bem aceita no mercado e fabricada em larga escala pela sua companhia, a fábrica Gabriel, e por isso, o sistema ficou muito conhecido, como Gabriel Snubber. Em contra partida a grande utilização dos sistemas hidráulicos, o sistema de Floster foi aprovado por muitos devido ao seu custo ser muito baixo e ter uma performance excepcional (DIXON, 2007). Figura 3 – Amortecedor Snubber, inventado por Claud Foster. Fonte: LONGHURST (2008). 16 No entanto, o desenvolvimento de amortecedores que tinha ocorrido até então baseado em sistemas de fricção ou em componentes de grande volume, tiveram na década de 30 uma mudança. A empresa Monroe importou o conjunto de absorção de impacto dos trens de pousos de aeronaves para os carros. Nele encontrava-se o sistema utilizado até os dias atuais, os sistemas telescópicos hidráulicos que trabalhavam baseado na resistência à passagem do óleo por orifícios, Figura 4. Figura 4 – Sistema que a fábrica Monroe importou do trem de pouso de um avião. Fonte: adaptado de DIXON (2007). Quando esta modificação na tendência de projeto de amortecedores ocorreu, a indústria deste ramo modificou-se de vez. A partir deste momento, nada mais fora desenvolvimento com outras bases. Os cilindros telescópicos começaram a sofrer melhoras em diversos pontos, desde a vedação até ajustes dos tamanhos orifícios, tudo visando um melhor conforto para os passageiros e para melhor segurança e resposta do veículo. O próximo passo feito no desenvolvimento deste segmento da engenharia automotiva ocorreu em 1959, quando a combinação de amortecedor e mola, desenvolvida pelo Dr. Alex Moulton, na Inglaterra, alcançou altos níveis de produção. Dentre os sistemas fabricados nesta combinação de amortecedor e mola, o primeiro a ser utilizado foi o sistema Hydrolastic da montadora B.M.C Mini e, posteriormente, a montadora Citroen o utilizou, porém com certa variação, no sistema Hydragas, Figura 5 (REIMPELL, 2001). Já em 1985 ocorreu o início de outra era no desenvolvimento dos amortecedores, agora com o controle eletrônico dos mesmos para obter cada vez maior performance. Desde então, os amortecedores melhoraram os seus controles, a fim de ter a agradável sensação em rodar nos carros automotores atuais (IEZZO, 2010). 17 Figura 5 – Sistema Hydrolastic, desenvolvido por Moulton, e Sistema Hydrogas. Fonte: adaptado de PARTS (2000). 2.2 – TIPOS DE AMORTECEDORES Avaliando a história do amortecedor pode-se ver que possui projetos distintos e que alguns ganharam ou perderam notoriedade. Listando os principais modelos, tem-se os seguintes: a) lever vane (ex.: Houdaille); b) lever cam in-line pistons (ex.: Delco Lovejoy); c)lever cam parallel pistons (ex.: Delco); d) lever rod piston (ex.: Armstrong); e) telescópico (ex.: Monroe). Dentre todos já desenvolvidos, o modelo telescópico, introduzido no mundo automobilístico por Monroe, é o que possui maior faixa de variações e que tem a capacidade de se moldar a um determinado projeto de veículo, ou seja, é o mais utilizado. Este tipo de amortecedor produz forças de amortecimento através da passagem forçada e restrita do óleo ou outro fluído, contido dentro da câmara pelos orifícios da válvula. Estes amortecedores podem ser monotubulares (corpo constituído de tubo simples) ou bitubulares (corpo constituído de dois tubos concêntricos), (DIXON, 2007). Assim, analisando estas variações de amortecedores é possível observar a existência de uma sub classificação dos telescópico, que são: a) amortecedores telescópicos bitubulares; b) amortecedores telescópicos monotubulares; c) amortecedores telescópicos monotubulares com pistão flutuante. 18 Para melhor compreensão dos amortecedores telescópicos, a seguir será explicado brevemente em que consiste cada modelo e suas peculiaridades. 2.2.1 Amortecedores telescópicos bitubulares Amortecedor telescópico bitubular é o mais usual atualmente no mundo automotivo. Como se subentende pelo seu nome, possui dois tubos, um envolvendo o outro, sendo posicionados concentricamente. Para que ele exerça a sua função há uma ação combinada da passagem do fluído através do pistão no cilindro principal (interno) com a acomodação do restante do óleo do movimento de compressão em uma câmara envolta ao tubo interno (cilindro externo), Figura 6, (BASTOW; HOWARD; WHITEHEAD, 2004). Figura 6 – Amortecedor telescópico bitubular. Fonte: adaptado de BASTOW; HOWARD; WHITEHEAD (2004). Essa é a função básica que os amortecedores bitubulares possuem, além disso, eles possuem um diferencial em relação aos monotubulares, que serão explicados posteriormente, pois possuem duas válvulas, uma destinada a compressão e outra para o rebote. Isto gera maior possibilidade de variação, aumentando o nível de customização dos amortecedores. Porém, em meio a uma série de vantagens os amortecedores bitubulares possuem desvantagens, (BENAZIZ, 2014, IEZZO, 2010), como: a) Processo de fabricação, que deve ser feito por meio de estampagem; b) Massa final do produto, maior que os monotubulares; c) Maior possibilidade de aeração do fluído, devido a passagem do mesmo entre os cilindros internos externos; 19 d) Temperatura do fluído mais elevada, por causa dos cilindros envoltos. 2.2.2 Amortecedores telescópicos monotubulares Amortecedor telescópico monotubular possui e faz a mesma função dos bitubulares, porém possui somente um tubo em sua construção. Neste modelo, o óleo que é posto dentro do cilindro recebe uma quantidade de gás, tornando-o uma emulsão de gás e óleo como fluído de trabalho, Figura 7. Diferentemente dos bitubulares, os monotubulares possuem uma só válvula para efetuar o trabalho de compressão e rebote. Isto o deixa em desvantagem na adaptação dos projetos para um determinado uso, mas reduz a massa do amortecedor, o que em muitos casos é de extrema valia, como no caso de carros destinados a competição tanto em pista de asfalto quanto em modelos off-road. Dentre os modelos monotubulares, este é o menos utilizado, já que a emulsão de gás e óleo torna mais complicada a montagem e a regulagem da pressão adequada de trabalho, além do que há alta probabilidade de cavitação do fluído (BASTOW; HOWARD; WHITEHEAD, 2004). Figura 7 – Amortecedor telescópico monotubular Fonte: BASTOW; HOWARD; WHITEHEAD (2004). 2.2.3 Amortecedores telescópicos monotubulares com pistão flutuante Modelo de amortecedor monotubular mais desenvolvido nos últimos anos, tudo devido a sua praticidade na montagem. Em relação à sua forma construtiva, ele é semelhante ao tipo de amortecedor citado no item 2.2.2, mas o que diferencia é o pistão flutuante, que faz a mistura gás e óleo deixarem de existir, assim os dois elementos são separados em câmaras diferentes no cilindro, Figura 8. Este pistão deixa o gás, normalmente nitrogênio, localizado na parte inferior do amortecedor e o óleo na parte superior. Como já diz a palavra flutuante, o pistão tem a possibilidade de deslocamento, assim é possível que ele, juntamente com o gás, absorva a variação de volume do óleo, que está trabalhando devido a compressão e rebote do sistema haste-pistão, assim reduzindo a possibilidade de cavitação do fluído a praticamente zero (BASTOW; HOWARD; WHITEHEAD, 2004, DIXON, 2007). O amortecedor monotubular com pistão flutuante, também, possui alta força estática, pois a câmara de gás trabalha a alta pressão. 20 Figura 8 – Amortecedor monotubular com pistão flutuante Fonte: DIXON (2007). Além dos pontos avaliados acima, este tipo de amortecedor o deixa apto para utilização devido a outros fatores: a) Simples processo para fabricá-lo, necessitando, basicamente usinagem e soldagem; b) Montagem facilitada pela quantidade reduzida de componentes; c) Possui maior prevenção à formação de espuma pelo fluído, pois há uma coluna de óleo pressurizada, bem como o gás não está presente na mesma câmara do óleo; d) Baixa tendência a cavitação, por causa da presença do pistão flutuante que reduz a queda de pressão durante o movimento de extensão e, consecutivamente, aumenta a vida útil do amortecedor; e) Melhor refrigeração do fluído, pois não possui proteção envolvendo o único cilindro; Dentre as vantagens descritas, existem algumas desvantagens como, a necessidade de uma melhor vedação, elevado grau de precisão da fabricação dos componentes e a exigência de maior espaço, caso queira um aumento do curso acima de 100mm. Ao fazer a análise entre as vantagens e desvantagens, conclui-se que este modelo é o mais apto entre os demais quando se deseja uma solução mais simples e com bons níveis de desempenho, além de possuir a possibilidade de maior regulagem quando utilizado nos mais diversos tipos de terrenos devido aos ajustes em torno da válvula (IEZZO, 2010). 2.3 – SUSPENSÃO E OS MODELOS DE APLICAÇÃO A suspensão não é o alvo de estudo deste trabalho, porém o amortecedor que está sendo analisado, é acoplado a ela, o que justifica citá-la. Caso seja preciso fazer um desenvolvimento específico dela, haveria a necessidade de uma abrangência muito maior, já 21 que suas condições de operação são muito variadas e conflitantes ao mesmo tempo, como: aceleração e frenagem; percursos retilíneos e/ou sinuosos; estradas boas ou ruins. Ao fazer uma reflexão sobre os principais objetivos e esforços envolvidos no sistema de suspensão tem-se a absorção de vibrações e de choques das rodas, como os principais. Porém, dentro de um desenvolvimento do conjunto de suspensão, sempre se possui um foco principal: no caso de projetar um sistema para carros comerciais, visa-se o conforto dos passageiros que estarão trafegando nele, já em veículos de competição, como é o estudo a ser feito neste trabalho, procura-se melhor aderência em relação à roda e o terreno, tudo para se obter o melhor desempenho possível do conjunto. No entanto, um carro comercial também deve possuir boas características de aderência à pista, mas não a níveis extremos, pois o mesmo não é preparado para atuar em manobras bruscas como as ocorridas em competições automobilísticas (BASTOW; HOWARD; WHITEHEAD, 2004, DIXON, 2007).Para Gillespie (1992, p. 5), “as propriedades de uma suspensão que importam a dinâmica do veículo estão relacionadas principalmente com o seu comportamento cinemático (movimento) e sua resposta às forças e momentos que são transmitidos dos pneus ao chassi”. A partir desta citação de Gillespie, é possível acrescentar mais alguns detalhes na transmissão de forças do pneu ao chassi. Inclui-se neste quesito uma boa estabilidade lateral e longitudinal juntamente com a resistência ao rolamento. Além disso, é a suspensão que provem a sustentação do peso estático do veículo para ter um espaço livre entre a parte inferior do veículo e a pista. Na sequência, serão apresentados os tipos de suspensão e quais são utilizadas no carro da equipe BAJA UCS. 2.3.1 Tipos de suspensão Os sistemas de suspensão constituem-se em dois grupos: eixos rígidos (suspensão dependente) e suspensão independente: a) Eixos Rígidos (Suspensão Dependente) Este sistema tem como principal característica, a união das rodas a um mesmo eixo, o que a torna dependentes. Quando uma das rodas transpõe um obstáculo, o movimento será transmitido a outra. 22 A aplicação deste sistema ainda é amplamente utilizada em caminhões e em alguns carros nos eixos traseiros. Porém, como eixo dianteiro, os eixos rígidos não possuem muitas aplicações. Os poucos veículos que a utilizam são somente automóveis com tração integral e caminhões conhecidos como fora de estrada, que requerem alta capacidade de carregamento. Observando as vantagens deste modelos, é possível verificar que a angulação (camber) da roda não modifica em função do rolamento da carroceria, mas em curvas há um pequeno camber, exceto quando há grande carga sobre o pneu que está do lado externo da curva. Quanto à desvantagem dos eixos rígidos é o possível surgimento de vibrações indesejadas no sistema. Dentro da classificação de suspensão dependente existe uma subclassificação, que são os modelos específicos, como exemplos: Hotchkiss, Four Link e De Dion. b) Suspensão Independente Este tipo de suspensão possui uma forma de trabalho totalmente diferente comparada com as suspensões dependentes. Primeiramente, as suspensões independentes, como o próprio nome revela, faz com que cada roda se movimente sem que interfira na outra. Isto faz que seja utilizada na grande maioria dos veículos para passageiros e caminhões leves, devido a diversos fatores, como: a) Espaço de montagem reduzido, deixando mais espaço para o motor na dianteira; b) Bom esterçamento ou boa dirigibilidade do carro; c) Possui melhor resistência a vibrações mecânicas; d) Baixo peso dos componentes; e) Nenhuma influência de uma roda para outra. Como o projeto deste trabalho visa a utilização em um veículo off-road , as últimas três características citadas acima fazem com que este tipo de suspensão seja o mais indicado, ainda mais que elas produzem a manutenção do contato do pneu com o solo, especialmente nas curvas em terrenos irregulares (IEZZO, 2010). No mundo da suspensão independente existem diversos modelos, como: suspensão tipo McPherson; traseira de eixo com braços arrastados (Trailing-Arm Rear Axle Suspension); traseira de eixo com braços semiarrasados (Semi-Trailing-Arm Rear Axle Suspension); eixo articulado (Swing Axle); Duplo “A” (Double Wishbone); Multi-Link. 23 As duas últimas serão explicadas na sequência, já que são utilizadas no protótipo BAJA UCS. 2.4 TIPOS DE SUSPENSÃO UTILIZADA NO PROJETO 2.4.1 Suspensão duplo “A” (Double Wishbone) O tipo suspensão duplo “A” (figura 9), é composta por duas ligações transversais (braços de controle) em ambos os lados do veículo, que são montadas para girar sobre o quadro da suspensão e, no caso do eixo da frente, estão conectadas no exterior à junta de direção ou giratória através de juntas articuladas esféricas. Atualmente, este tipo de suspensão é muito utilizado em carros na parte dianteira por necessitar de pouco espaço para montagem, já que a maioria dos carros utilizam motores frontais. O motivo da utilização da suspensão duplo “A” no projeto do veículo BAJA é a flexibilização que ele proporciona para mudança de angulação das rodas, já que os braços (os “A” do sistema) de suporte podem ter comprimentos diferentes, assim os superiores são, normalmente, menores que inferiores, proporcionando camber negativo, facilitando o contato das rodas com o piso na curvas. Além disso, caso ela possua o centro de arfagem (pitch pole) no centro da roda que auxiliará no mecanismo de anti-mergulho (anti-dive) e reduzirá o afundamento sobre o eixo quando a tração é traseira (REIMPELL, 2001). 2.4.2 Suspensão multi-link Sistema de suspensão que utiliza até cinco barras (braços articulados) para realizar a união entre a roda e o chassi juntamente para controlar as forças e torques a serem transmitidos ao chassi, figura 10. Este modelo de suspensão foi criado em 1982, pela empresa Mercedes-Benz e até hoje consta em seus projetos de carros. O Multi-link possui diversas vantagens, começando por ser um tipo de suspensão independente, mas além disso, tem características de efeito anti-mergulho, anti-levantamento e anti-afundamento durante acelerações e frenagens, o que faz o veículo reduzir as perdas de energia cinética durante estes movimentos tornando o carro mais facilmente controlável. Fora isso, proporciona bom controle em relação à convergência e angulação das rodas. Já as 24 desvantagens do sistema são o custo elevado, assim é mais provável encontrá-lo em carros mais sofisticados, e possui maior sensibilidade ao desgaste dos rolamentos (IEZZO, 2010). Figura 9 – Esquema da suspensão duplo A em 1/4 de carro. Fonte: LONGHURS (2008). Figura 10 – Tipos de montagem de uma suspensão multi-link. Fonte: adaptado de WORLDWIDE (1997). 2.5 AMORTECEDOR E SEUS COMPONENTES Aqui, serão apresentados os componentes que estão presentes em um amortecedor telescópico monotubular com pistão flutuante, já que é este o tipo de amortecedor que o presente trabalho irá propor como solução ao veículo BAJA UCS. Com isso, esta sessão mostrará a função específica de cada parte do amortecedor, a fim de criar recursos para a compressão das características técnicas que serão desenvolvidas nos próximos capítulos. Um amortecedor monotubular com pistão flutuante não possui muitos itens, que os mesmos serão listados abaixo: corpo, pistão, haste, pistão flutuante e válvulas. 2.5.1 Corpo O corpo de um amortecedor consiste no tubo cilíndrico, ou câmara, com espessura determinada por meio de cálculos que envolve todos os outros componentes do sistema. Internamente, é alocado a válvula, aos pistões, à haste e aos elementos de vedação que movimentam-se frequentemente. Além disso, a câmara cilíndrica deve suportar a pressão do 25 óleo, que está enclausurado, e que sofre alterações de pressões hidrostáticas devido ao trabalho dinâmico do amortecedor. No entanto, o corpo do amortecedor tem função estrutural, já que sobre ele as molas são instaladas, assim o corpo sofre diretamente todas as forças recorrentes da absorção de impactos excitadas pelas irregularidades do solo. Lembrando, quem realiza a absorção de impactos são as molas e os amortecedores dissipam a energia contida nelas, para que o carro não oscile por um longo período. No corpo ainda é disposto o olhal que fixa o amortecedor ao conjunto roda ou a estrutura do chassi, independente da posição vertical de instalação (MARTANDE; JANGALE; MOTGI, 2013). 2.5.2 Pistão O pistão possui duas funções na parte internado corpo do amortecedor, local onde ele é disposto. A principal função é servir de passagem para o fluído, normalmente óleo, que passa de uma câmara a outra durante o trabalho do conjunto. Nele há canais, ou orifício, por onde o óleo transcorre, assim dificultando a passagem do mesmo gerando forças contra as exercidas pela mola, absorvendo energia e dando ao amortecedor a sua característica de funcionamento. Além desta função, o pistão funciona como um separador de câmaras, pois durante o movimento de extensão e rebote da haste, o óleo transferido entre as câmaras não pode retornar naturalmente à câmara onde estava anteriormente, somente quando o veículo passa por um desnível, excitando o amortecedor. Com isso, a câmara do amortecedor fica subdividida em outras duas (DIXON, 2007). 2.5.3 Haste Deslocamento e sustentação é o que define este componente. A haste é uma barra de perfil cilíndrico que conecta o olhal de fixação ao pistão. Como a haste, normalmente, é fixada ao chassi do carro, há a transmissão do deslocamento dos conjuntos das rodas à estrutura do veículo. Nela, também, há uma parte onde a mola é fixada, assim deve ser projetada a fim de receber os esforços do helicóide, sem que ocorra a sua ruptura e promovendo a sustentação do conjunto automotor (POORNAMOHAN, 2012). 2.5.4 Pistão flutuante Em um amortecedor o volume de óleo na câmara se modifica em seu interior devido 26 à entrada do volume da haste quando ocorre a compressão e, também, por causa da expansão do fluído quando a temperatura é elevada. Como o óleo é praticamente incompressível, deverá ter um modo de expandir o volume das câmaras onde o fluído está. Por isso existe o pistão flutuante, com ele é possível criar uma terceira câmara dentro do corpo do amortecedor e ali armazenar gás, que é compressível. Assim, quando existir a expansão do volume da câmara motivado por algum dos fatores acima, o gás, normalmente nitrogênio, contido nesta outra câmara pode comprimir, fazendo o volume das câmaras onde o fluído está localizado, se modificar. Outro ponto importante é para evitar a cavitação do óleo da câmara principal e, também, para evitar o final de curso, caso ocorra um deslocamento abrupto e forte da roda (DIXON, 2007). 2.5.5 Válvulas As válvulas são discos de baixa espessura montados tanto na parte superior quanto na parte inferior do pistão. O conjunto válvula é um agregado de várias placas com diâmetros variados a fim de ter a forma piramidal para que juntas formem um bloqueio aos canais existentes no pistão. Conforme a velocidade vertical do pistão e a velocidade com que o óleo passa pelos canais, as placas vão cedendo e liberando controladamente a passagem do óleo a medida que há compressão ou rebote da haste. Exercendo a função, as válvulas controlam a transição do amortecimento de baixa para o de alta velocidade em função do perfil e do deslocamento vertical da roda na pista (DIXON, 2007). 2.6 DINÂMICA VEICULAR Todo veículo motorizado que possui contato com uma superfície passa a sofrer for- ças tanto internas como externas, devido ao atrito ou irregularidades da pista, que é a maior fonte de vibrações e ruídos para o veículo. As vibrações começam a gerar no carro desequilíbrio que deve ser minimizados pelos seus componentes internos. O principal componente que deve efetuar esse trabalho é o amortecedor, no entanto, os demais itens do veículo tem a capacidade de dissipação das energias vibracionais, cerca de 5 a 15%, mas não o suficiente para transmitir aos ocupantes, conforto e ao motorista segurança em sua dirigibilidade (PERSEGUIM, 2006). Por isso, na etapa de desenvolvimento de um veículo é de suma importância ter atenção na avaliação das forças que serão impostas ao carro para projetar corretamente os itens que atuarão contra elas ou minimizarão seus efeitos no 27 conjunto. Para que seja possível mensurar esses valores é necessário realizar análise da dinâmica do veículo, bem como o comportamento perante as vibrações mecânicas no carro. Assim, neste capítulo, será comentado progressivamente o foco no presente trabalho avaliando as questões pertinentes para o desenvolvimento correto de um amortecedor monotubular com pistão flutuante. 2.6.1 Conforto (Ride) versus dirigibilidade (Handling) O mundo automotivo pode ser dividido em duas classes, a classe do conforto e a classe do desempenho. Pode-se analisar isso na preferência de compra de uma pessoa, uns preferem a compra de um Rolls-Royce, sinônimo de conforto, outras já preferem uma Ferrari, que possui desempenho fenomenal e o mínimo de conforto aos seus ocupantes. Assim, é possível realizar o desenvolvimento de um amortecedor adequado a cada aplicação. Como o objetivo do presente trabalho é desenvolver o conjunto de amortecedores para um veículo off- road de competição terá a incumbência de ter melhor performance na dirigibilidade do que no conforto. 2.6.1.1 Conforto Tratando-se de um veículo de competição, o quesito conforto não será levado em conta em primeira instância, porém não se pode deixá-lo de lado, já que o motorista (piloto) do veículo é exigido fisicamente ao extremo neste tipo de esporte. Como o piloto, ou passageiro, deve ser considerado também parte do conjunto carro e que é analisado como fosse um sistema massa-mola-amortecedor, conclui-se que as vibrações provenientes da pista venham a afetar ele de forma negativa, pois sendo submetido a esta carga externa começa-se a enfraquecer o corpo e, assim, perdendo rendimento (GILLESPIE, 1992). Na tabela 1, é possível analisar a que módulo de vibração o ser humano é capaz de suportar. Para mensurar em números a diferença entre as frequências utilizadas em carros de diferentes tipos de otimização, Dixon (2007) analisa; para um caso de otimização em conforto, a frequência é de 0,8 Hz para um coeficiente de amortecimento (ζ) de 0,2, e para um caso de otimização em dirigibilidade, a frequência é de 1,6Hz para um coeficiente de amortecimento de 0,8. Assim, é possível notar que quando a dirigibilidade é considerada em primeiro plano, o conforto decai. No caso, desse projeto de amortecedor, a tendência é da 28 frequência natural do veículo se aproximar de 1,6Hz, deixando o piloto desassistido em relação ao conforto, porém dentro dos limites aceitáveis conforme a tabela 1. Tabela 1 – Sensibilidade do corpo a vibrações ___________________________________________________________________________ Frequência (Hz) Sensibilidade Fonte de Vibrações 0 a 2 Sistema Vestibular barcos, veículos e aeronaves 2 a 20 Biomecânica, ressonância do corpo veículos, aeronaves e guindastes >20 Músculos, tendões e pele ferramentas e máquinas __________________________________________________________________________________________ Fonte: adaptado de Gillespie, 1992. 2.6.1.2 Dirigibilidade Dirigibilidade é a qualidade do veículo ser controlado pelo motorista em segurança e de maneira previsível, assim torna-se fácil manter o curso desejado, e fácil de controlar o veículo em altas acelerações laterais e longitudinais, quando for necessário. (DIXON, 2007, p. 120). Transferindo o significado para um amortecedor, a dirigibilidade é a manutenção do contato do pneu com o solo. Em uma competição automobilística, independente do terreno da pista, é necessário ter o máximo de aderência possível do pneu com o solo, pois, assim, consegue-se obter maior controle do mesmo, bem como ter a facilidade em ocorrer a transmissão de potência das rodas para o terreno. Caso isso não ocorra, a falta de contato entre o pneu e o solo tende a fazer com que o carro comece a perder a capacidade de frenagem e controle direcional.Por isso, a tendência de projetos voltados para ambientes de competição, como o caso do carro BAJA UCS, é ter um coeficiente de amortecimento (a seguir será explicado) o mais próximo a 0,7, para carros que não sofram grande influência aerodinâmica. 2.6.2 Definições básicas para modelo dinâmico 2.6.2.1 Massa total do veículo A massa total do veículo compreende-se como somente uma grandeza na maioria dos casos, mas como neste trabalho estuda o caso vibracional do veículo, torna-se necessário dividir em duas partes, massa suspensa e massa não suspensa do veículo. 29 Massa suspensa é o conjunto de itens que estão acima da suspensão, inclui-se nele o chassi, motor, passageiro e cargas. Esta divisão é necessária pelo motivo de não estar conectada diretamente ao piso e, sim, às molas e aos amortecedores. Isto faz com que este corpo não reaja de forma idêntica aos que estão em contato com o solo, ficando dependentes das reações existentes no conjunto de amortecimento da suspensão, deixando o chassi menos exposto a vibrações excessivas. Com isso, a frequência do conjunto de massa suspensa tende a ser inferior em comparação ao conjunto da massa não suspensa. Massa não-suspensa é o conjunto que está em contato direto com o solo, recebendo forças diretas das irregularidades da pista. Este conjunto é composto pelas massas dos pneus, rodas e sistemas de suspensão. Eles realizam o trabalho de absorção dos impactos e vibrações vindas da pista, dissipando ao mesmo tempo grande parte da energia deste trabalho para que, ao chegar ao conjunto de massa suspensa, não cause desconforto ao motorista e passageiros. Essa divisão deve ser feita para garantir melhor acuracidade no modelo dinâmico, que será apresentado na sequência, e para mensurar as reações das forças no veículo (PERSEGUIM, 2006, MILLIKEN; MILLIKEN, 1995). 2.6.2.2 Graus de liberdade do veículo Como o amortecedor foi importado dos sistemas de avião, a base dos graus de liberdade de um veículo não foi diferente. Baseado em aeronaves é que obteve-se os eixos e as nomeações das rotações no centro dos eixos. Como é possível verificar na figura 11. Em um carro, toda a massa está distribuída em sua área de ocupação, porém a distribuição não é uniforme, tornando o veículo assimétrico. Voltando às propriedades de análise de um sólido, caso exista uma distribuição uniforme de carga em uma determinada área, pode-se dizer que o centro de massa está no centro da peça. Nos veículos é, basicamente, o mesmo, porém pela assimetria das massas envolvidas, o centro de massa do veículo é variado de caso a caso. Nos veículos automotores, este centro de massa é denominado Centro de Gravidade (CG) e cada carro possui o seu: uns sendo mais para frente do carro, outros mais atrás; uns perto do solo ou distante dele. Isto é muito importante na configuração do veículo pois, a partir disso, é possível determinar as suas características dinâmicas e prever como ele irá se comportar quando há uma frenagem brusca ou uma curva de alta velocidade com grande raio (DIXON, 2007, MILLIKEN; MILLIKEN, 1995). Para tanto, o presente trabalho foca o desenvolvimento dos amortecedores, e o eixo a ser analisado será somente o z, pois nele é onde os amortecedores atuam e os esforços a ele 30 são transmitidos. Com isso, pode-se explorar a dinâmica do carro com menor número de graus de liberdade, não deixando a acuracidade de lado. Figura 11 – Eixos de um carro normalizado pela norma SAE J607. Fonte: adaptado de SAE (2008). Onde: - eixo x: velocidade horizontal e velocidade de rolagem; - eixo y: velocidade lateral e velocidade de arfagem; - eixo z: velocidade vertical e velocidade de guinada; 2.6.2.3 Modelo de um quarto de carro Este é o modelo mais simplificado que se pode ter para fazer uma análise dinâmica de um carro, já que nele contempla-se somente uma das rodas do veículo e a massa que ela deve carregar, (figura 12). No modelo de análise de carro a ser utilizado neste projeto (modelo de 1/4 de carro), o pneu será considerado exclusivamente com o coeficiente de rigidez, obtido através de ensaios em laboratório. Porém o coeficiente de amortecimento do pneu será desconsiderado, pois o seu valor é muito pequeno, quando comparado com o valor do amortecimento do amortecedor principal do sistema de suspensão do veículo (FREITAS JUNIOR, 2006). Figura 12 –Modelo de 1/4 de carro. Fonte: o AUTOR (2015) 31 Neste sistema são apresentados algumas variáveis: - M : massa suspensa; - m : massa não-suspensa; - Cs : coeficiente de amortecimento; - Ks : coeficiente da mola entre a massa não-suspensa e a massa suspensa; - Kp : coeficiente da mola do pneu, referente a rigidez do pneu. A partir, deste ponto pode-se começar a fazer análises para desenvolver a melhor solução para o projeto de um veículo. E nele é que este trabalho estará baseado para conseguir os resultados pretendidos. 2.6.2.4 Equivalência das molas Normalmente, o conjunto mola-amortecedor é instalado no veículo com certa angulação em relação ao plano vertical do carro, por isso a mola não deve ser analisada nos cálculos com o seu valor total e, sim, por um valor equivalente chamado de Spring Effect Wheel Rate, explicito na equação 1. (1) Onde MR é o Motion Rate, explicito pela equação 2. (2) Onde é o ângulo formado entre a mola e o plano paralelo ao solo. Esta equação leva em consideração o modo de construção da suspensão do veículo, já que modifica as dimensões u (distância entre B e C) e v (distância entre A e B) que são utilizadas na equação de Motion Ratio e, assim, alterando o valor resultante da mola. Na figura 15, pode-se verificar alguns dos modelos de suspensão e quais os valor de u e v que devem ser utilizados para extrair um melhor resultado. No caso do carro BAJA UCS, que utiliza suspensão frontal duplo A (double wishbone) e traseira multilink, o cálculo de motion ratio basea-se no modelo da . 2.6.2.5 Associação de molas Conforme a figura 12 é possível verificar a existência de duas molas em série. Isto 32 demonstra que deve-se calcular a soma das duas para ter um valor único, conforme equação 3, (MILLIKEN; MILLIKEN, 1995): (3) 2.6.2.6 Frequência natural não amortecida Uma das variáveis primordiais para que seja analisado o comportamento dinâmico de um veículo é a frequência natural não amortecida (ωn), normalmente chamada por frequência natural. Segundo Milliken; Milliken (1995), esta frequência com determinada massa oscila sobre a referência zero, mas se a massa é forçada para baixo ou para cima, ela irá se mover infinitamente desde que não tenha nada para dissipar a energia que estão nas molas. Conhecendo a frequência natural não amortecida pode-se obter o valor da frequência do sistema, ou seja, qual é o limite da frequência do sistema para que ocorra a ressonância, o que pode fazer o conjunto vibrar de forma desagradável aos passageiros quanto a dirigibilidade do veículo. A partir disso obtêm-se a equação 4: √ (4) 2.6.2.7 Coeficiente de amortecimento Outra variável importante para o desenvolvimento de um amortecedor e do sistema dinâmico de um veículo é o coeficiente de amortecimento, pois através dele é possível verificar as reações que o carro terá ao passar por um desnível na pista. O coeficiente de amortecimento é uma escala de 0 ao infinito, mas, normalmente, está na faixa de 0 a 2, especialmente para o caso deveículos automotores (MILLIKEN; MILLIKEN, 1995). Este coeficiente também possui uma classificação, conforme tabela 2. Para carros de comerciais, provavelmente, tem o coeficiente de amortecimento efetivo ao redor de 0,2 e 0,3, pois embora o controle seja adequado, os amortecedores macios proporcionam menor desconforto, enquanto que carros de corrida devem ter melhor e maiores coeficientes de amortecimento, de modo ideal aproximando-se de 1,0. Em outras palavras, dependendo das condições das estradas, o conforto ideal pode ocorrer para coeficiente de amortecimento em torno de 0,2, enquanto para dirigibilidade ideal ocorrer o coeficiente de 33 amortecimento deve ser de aproximadamente 0,8; o valor atual usado dentro deste aspecto depende da condição adotada de conforto/dirigibilidade (DIXON, 2007). Tabela 2 – Classificação dos tipos de amortecimento. __________________________________________________________________________ Coeficiente de Descrição das Reações Amortecimento ζ < 1 Amortecimento sub-amortecido: oscilação sobre a referência zero, mas a amplitude decai e, eventualmente, alcança o estado estacionário, onde x=0. ζ = 1 Amortecimento crítico: não existe oscilação em torno de zero, quando há uma excitação do sistema, a amplitude decai suavemente até o estado estacionário. ζ > 1 Amortecimento super amortecido: a oscilação do sistema é similar ao amortecimento crítico, porém a amplitude demora mais para atingir o estado estacionário. _________________________________________________________________________________________ Fonte: o AUTOR (2015). Figura 13 – Modelos de Suspensão e pontos para calcular o Motion Ratio. Fonte: PUC-RIO (2015). Na figura 14 consegue-se distinguir os efeitos que ocorrem em um amortecedor com diferentes índices de coeficiente de amortecimento, como o sub amortecido (ζ<1), o amortecimento crítico (ζ=1) e superamortecido (ζ>1). Analisando o gráfico com coeficiente de amortecimento de 0,1 (ζ=0,1), presente na figura, nota-se que o deslocamento vertical do amortecedor, obtido pelo eixo y, assemelha-se a uma curva senoidal, porém decrescendo sua amplitude gradativamente ao longo do tempo, representado pelo eixo x, o que gera maior conforto ao passageiro do veículo. Já o gráfico com coeficiente de amortecimento de 0,8 34 (ζ=0,1), não possui a curva senoidal conforme com o gráfico citado anteriormente, e sim, uma curva que possui um deslocamento pequeno depois de excitada inicialmente, mas que retorna a zona de equilíbrio em um intervalo de tempo muito menor, se comparado ao coeficiente de amortecimento de 0,1. Já nos casos dos gráficos com coeficiente de amortecimento igual a um ou superiores (ζ =< 1), as curvas representadas não apresentam amortecimento ideal aos veículos, pois após o amortecedor ser excitado ele retorna ao equilíbrio diretamente, não realizando o mínimo de oscilação necessária para gerar conforto aos passageiros e é utilizado em carros que possuem forças aerodinâmicas expressivas a serem levadas em conta nos modelos de análise (exemplo são os carros de Fórmula 1). Assim, pode-se avaliar qual é o melhor amortecimento que deva ser utilizado em um amortecedor de veículo para uma aplicação específica. Figura 14 – Gráficos de diferentes coeficientes de amortecimento. Fonte: adaptado de MILLIKEN; MILLIKEN (1995). 35 2.6.3 Modelo dinâmico O modelo dinâmico é o princípio para qualquer investigação que venha a ser feita na área automotiva, a partir dele consegue-se encontrar as respostas para o desenvolvimento de diversos componentes do veículo, bem como é estabelecido parâmetros que influenciaram outras partes do conjunto indiretamente. Neste trabalho não é diferente: para análise dinâmica do veículo e para estabelecer o coeficiente de amortecimento de cada conjunto de amortecedor (frontal e traseiro) será utilizado o modelo de um quarto de veículo com dois graus de liberdade, (figura 14). Este modelo baseia-se em um sistema massa-mola-amortecedor com excitação da base, referente à oscilação proporcionada pela pista. Assim, será possível obter equações que gerem os resultados do coeficiente de amortecimento para encontrar no final do trabalho um modelo real eficiente. Para que seja modelado o sistema é necessário compreender a equação 5, base de um sistema massa-mola-amortecedor: ̈ ̇ (5) Para simplificar o sistema divide-se a equação pela massa obtendo, assim, o seguinte resultado, equação 6: ̈ ̇ (6) Na equação 6 pode-se verificar outras duas componentes de extrema importância no sistema vibracional, à frequência natural do sistema não amortecido (equação 2), representado por e o coeficiente de amortecimento, , equação 7. √ (7) Para solução do modelo utiliza-se a equação 8, que é para o caso de conjuntos sub- amortecidos. Em veículo, o sub-amorteceimento torna-se a melhor opção, pois reduz a amplitude do amortecimento do carro de modo gradativo até alcançar a estabilidade. (8) Aonde vem a ser a frequência natural amorteceida, equação 9, que normalmente possui valores inferiores a frequência natural não-amortecida. 36 √ (9) Assim, a partir das equações acima, será possível formular novas equações e matrizes para chegar ao resultado desejado de um veículo com bons parâmetros de dirigibilidade (RAO, 2009, DIXON, 2007, ROCHA, 2004). 2.7 DINÂMICA DO AMORTECEDOR A dinâmica do trabalho do amortecedor vai muito além do sobe e desce do conjunto haste/pistão e é possível visualizar que, em seus movimentos, existem certas peculiaridades. Como caso da compressão, a câmara irá aumentar de volume, por causa da entrada da haste no cilindro. Neste movimento, como o pistão está anexado à haste, o mesmo se desloca, criando duas zonas de pressão distintas. Na face que está na direção do movimento do pistão, ocorre a zona de alta pressão e, consecutivamente, a frente desta face considera-se a sub- camara de compressão que terá alto nível de pressurização, assim a sub-camara oposta é que sofrerá queda de pressão. Por esse, motivo é que os pistões devem ser projetados para que nos movimentos de compressão não gerem restrição excessiva, facilitando a passagem do fluído, deixando as molas efetuarem o trabalho de absorção do impacto. No entanto, para o movimento de rebote, os pistões devem ser desenvolvidos para gerar alta resistência à passagem no fluído, assim o amortecedor realiza o trabalho corretamente, dissipando a energia encontrada na mola. Com essa dificuldade de passagem do fluído, o conjunto da roda retornará de modo suave ao local de equilíbrio do sistema e não a deixando voltar com a energia total da mola, o que faria o pneu perder contato com o solo, originando perda de controle do veículo, especialmente em altas velocidades. Outro fato importante nestes movimentos é quanto à despressurização de uma sub- camara ocorrer, e, é observada através da pressão, quando a mesma vir a decair abruptamente, passando do limiar da pressão de vapor do óleo, gerando, assim, bolhas de gás em meio ao fluído, ou seja, cavitando. Um projeto de amortecedor deve ser originado para eliminar essa situação, a cavitação, pois as bolhas de gás podem vir a estourar quando encontrarem uma zona de alta pressão, gerando variação no fluxo do fluído de forma imprevisível e de difícil análise, além de ocasionar desgastes aos componentes do amortecedor, também ocasiona a perda de força na dissipação da energiapelo amortecedor. Para que isso não ocorra, os amortecedores que estão sendo estudados neste trabalho possuem um pistão flutuante, o que 37 gera uma terceira câmara no amortecedor, que é pressurizada com ar ou nitrogênio, entre 2 a 3 MPa, e faz com que as outras duas sub-camaras mantenham as pressões dentro dos níveis aceitos, assim não provocando a cavitação do fluído (DIXON, 2007, SIMMS; CROLLA, 2002). 38 3 DESENVOLVIMENTO PRÁTICO Com base na revisão teórica abordada neste trabalho, se faz necesário realizar os cálculos para obter valores das forças que os amortecedores serão submetidos. A partir de valores teóricos e ideais das forças realizadas sobre o componente em questão, ocorrerão testes no carro modelo 2014/2015 da equipe BAJA UCS para verificação dos coeficientes de amortecimento empregados no veículo. Assim, com os valores comparativos em mãos, a equipe BAJA UCS poderá analisar e efetuar melhoras no sistema de suspensão do carro para melhorar o seu desempenho. A fim de que a análise seja melhor compreendida, os itens a seguir mostrarão cada etapa do desenvolvimento e monitoramento correto dos amortecedores do veículo BAJA. 3.1 – EQUAÇÕES EM UM QUARTO (1/4) DE CARRO Para avaliação preliminar da suspensão de um carro, é primordial que se faça a análise de um quarto de carro, no qual verifica-se o comportamento da massa suspensa do veículo, relativo ao que cada conjunto de roda sustenta quando submetida a esforços externos vindos da via onde o veículo transita. Na solução deste sistema temos a equação 5 como principal, mas para facilitar o equacionamento, normalmente, dividi-se o sistemas em dois subssistemas: um com a massa suspensa e outro com a massa não suspensa, como será analisado a seguir. Esta divisão é feita para deixar mais claro quais as forças atuantes sobre a roda e o quarto do carro. Lembrando que o carro da equipe BAJA UCS, bem como praticamente todos os veículos no mercado, por ter massa suspensa dividida desigualmente no carro, como poderá ser observado na seção 3.2, necessita de duas análises, uma para os quartos frontais e outra para os traseiros. Assim, a partir disso, temos a equação 10 e 11, onde são observadas forças sob a massa suspensa do veículo (figura 15), e a equação 12 e 13 para as forças na massa não suspensa (figura 16). Figura 15 – Distribuição das forças sob a massa suspensa. Fonte: o AUTOR (2015). 39 ̈ (10) ( ̇ ̇ ) ̈ (11) Figura 16 – Distribuição das forças sob a massa não suspensa. Fonte: o AUTOR (2015). ̈ (12) ( ̇ ̇ ) ̈ (13) Como cálculos vibracionais de um veículo tendem a ser complicados para resolução analítica, por causa das diversas variáveis que estão inseridas nas equações, o melhor modo para obter valores corretos é através de softwares matemáticos, como por exemplo o MatLab/Simulink. Neste trabalho é utilizado este software para obter a solução. No anexo I é possível visualizar a rotina desenvolvida para problemas envolvendo um quarto de carro, esta programação é genérica podendo ser utilizada para diversas aplicações de carro. 3.2 – MASSA DO CARRO E SEUS COMPONENTES Quando há uma análise deste cunho sobre um carro, a equação 4, de frequência natural não absorvida do veículo, rege o correto desenvolvimento do projeto. Com as corretas frequências, os valores ideais a serem empregados nos componentes, neste caso o amortecedor, serão os mais próximos possíveis. A frequência natural é relacionada diretamente com a massa suspensa do veículo, por isso foi realizado a pesagem do carro sem o motorista por meio de quatro balanças, uma em cada roda do carro. As balanças utilizadas foram calibradas a partir da balança eletrônica SRA-9020 da marca Suryha, que possui capacidade para 100kg, acuracidade de 0,5% e resolução de 5g, além de possuir a opção tara, no qual é possível indicar o zero da balança. Assim, obteve-se o 40 resultado que pode ser visto abaixo na figura 17, onde a imagem A, corresponde à roda esquerda dianteira (FE), B, à roda direita dianteira (FD), C, à roda esquerda traseira (TE), D, à roda da direita traseira (TD). Indicação esta sobre as rodas são identificadas conforme o posicionamento do piloto no veículo. Figura 17 – Medição da massa do veículo com balanças em cada roda. Fonte: o AUTOR (2015). Após realizar as medições do veículo, obteviram-se os seguintes resultados: - Massa do carro suportada pelo eixo frontal (MEF), equação 14: (14) - Massa do carro suportada pelo eixo traseiro (MET), equação 15: (15) Com tais medições tornou-se possível verificar a distribuição de peso do carro sem o motorista, sendo, aproximadamente, 33,7% da massa do carro ser frontal e 66,3% da massa do carro ser traseiro (33,7/66,3). Isto nos mostra que o veículo possui maior parte da massa localizada no eixo traseiro, ou seja, o carro tende a ter maior dirigibilidade, perdendo um pouco de estabilidade. Para melhor distribuição de peso, seria interessante realizar modificações no posicionamento dos componentes para que chegue próximo a 40% frontal e 60% traseiro, assim a transferência do peso do carro será melhor para contornar curvas. Outro ponto de relevância sobre o centro de gravidade é que ele venha a se tornar o centro de oscilação, como é possível ver na figura 18. Assim, com o CG localizado na traseira do carro a angulação durante um salto ou um desnível torne-se grande, fazendo o veículo perder estabilidade. 41 Figura 18 – Centro de oscilação do carro em torno do Centro de Gravidade (CG). Fonte: AISOPOULOS (2011). Além desta medição total do veículo, foi realizada medições dos conjuntos rodas/pneus e amortecedores individuais (figura 19), que fazem parte dos conjuntos de massa não suspensa do veículo. Estas massas obtidas, bem como as massas das balanças, dos cubos de roda, freios, semi eixos e outros itens que estão ligados diretamente à roda e que não estão sustentados pelo sistema de suspensão foram subtraídos da massa total para obter a massa suspensa do carro. Assim, pode-se implementar às massa reais, as equações do item 3.1 e em outras que se fazem necessárias ao dimensionamento do carro BAJA UCS. Também é relevante salientar que a diminuição de peso da massa não suspensa é importante para que ocorra uma melhor dirigibilidade do veículo, porém não deve ser demasiadamente baixa para não acarretar em altas frequências das rodas que tendem a gerar maior desconforto aos passageiros do veículo. 3.3 – CARACTERIZAÇÃO DAS MOLAS Dentre os componentes da suspensão que estão relacionados com o amortecedor, a mola é o principal, já que ela influi diretamente na frequência natural do carro, equação 4, e consequentemente no dimensionamento do amortecedor. Assim, foi necessário realizar testes para verificação da constante de rigidez da mola. Para isso foram utilizadas as dependências dos laboratórios da UCS, no qual possui a máquina para teste de compressão EMIC DL20000 com leitura de dados efetuada pelo software Tesc, versão 3.01, próprio da marca do equipamento. Como o teste está sendo baseado no veículo BAJA UCS modelo 2013/2014 que utiliza quatro amortecedores idênticos, consequentemente, às molas, também, foram realizados três ensaios para verificação da constante de rigidez da mesma. Na figura 20 é possível observar
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